Vattenmolekyler går från quickstep till slowfox vid nedkylning
Vatten har unika egenskaper som gör det oumbärligt för allt liv på jorden, en olikhet som förstärks när vatten kyls ned under fryspunkten. Nu visar ny forskning från Fysikum vid Stockholms universitet att det sker en förändring i hur vattenmolekylerna rör sig när vatten kyls ner till -40 °C. Kunskap som ger en bättre förståelse för vattens dynamiska egenskaper.
– För att förstå vattens roll som livets lösningsmedel och regulator av jordens klimat är det nödvändigt att förstå dess anomalier, det vill säga de egenskaper som gör att vatten skiljer sig från andra vätskor, säger Robin Tyburski, postdoktor vid Fysikum, Stockholms universitet.
Avviker från mönstret
En av de frågor som forskningen länge försökt förstå när det gäller vattens egenskaper är hur underkylt vatten beter sig.
– När vatten kyls ner under sin fryspunkt som är 0 °C saktar molekylernas rörelser ner kraftigt vilket gör att vätskan blir betydligt mer trögflytande. Följer man den trenden, skulle vattenmolekylerna stå helt stilla vid -45 °C och vatten skulle då inte längre bete sig som en vätska, utan som ett fast ämne. Ändå är det möjligt att observera flytande vatten vid så låga temperaturer som -137 °C, säger Anders Nilsson, professor vid Fysikum, Stockholms universitet.
Genombrott i forskningen
Utifrån det har forskarteamet testat hypotesen om att det kan finnas en övergång i egenskapernas förändring, en punkt där trenden bryts, och vattenmolekylernas rörelser saktar ner långsammare när temperaturen sänks. Hittills har det dock varit omöjligt att undersöka hur vattenmolekyler rör på sig vid dessa temperaturer. När vatten kyls ner så mycket tar det nämligen mindre än en tusendels sekund innan det fryser till is, vilket har gjort det omöjligt att observera.
– Genom att undersöka molekylernas rörelse i tre steg har vi kunnat visa att det faktiskt sker en sådan övergång, säger Fivos Perakis, universitetslektor vid Fysikum, Stockholms universitet.
- I steg ett förberedde forskarna vatten vid temperaturer ner till -45 °C genom att injicera små vattendroppar (ca 0,002 mm i diameter) i en vakuumkammare.
- Därefter använde de en laserpuls för att inducera en strukturförändring i vattnet.
- Till sist använde forskargruppen röntgenstrålning för att följa hur, och hur snabbt, vattenmolekylernas struktur förändras.
Kort tidspann
I experimentet måste allt ske under mindre än en tusendels sekund, innan vattendropparna fryser till. Det finns bara fem apparater i världen som kan generera tillräckligt korta och intensiva röntgenstrålar för att detta ska vara möjligt. En av dessa är frielektronlasern SwissFEL i Schweiz, där experimentet genomfördes.
– På så sätt kunde vi se att molekylernas struktur förändras mer än 20 gånger långsammare vid -40 °C än vid 0 °C. När man går ner till ännu lägre temperaturer ändras hastigheten för strukturförändringen dock inte lika mycket, säger Robin Tyburski.
Ger större förståelse
Studien ger en bättre förståelse för vattens dynamiska egenskaper även vid rumstemperatur.
– En av dem är vattens ovanligt höga värmekapacitet, som oceanerna använder för att reglera jordens klimat. Genom att mäta hur molekylerna rör sig har vi nu en lite bättre uppfattning om hur vatten fördelar tillförd värme genom strukturförändringar, säger Anders Nilsson.
Resultaten öppnar för fler studier där man mer i detalj kan undersöka vad som händer med vattenstrukturen vid övergången -40 °C.
– Övergångstemperaturen sammanfaller med en tidigare upptäckt förändring i vatten – vid temperaturer lägre än -37 °C verkar det som om vattenmolekylerna formar lite stabilare strukturer än vid högre temperaturer. Det vore spännande att se om det är just denna strukturförändring som orsakar en ändring i mekanismen för hur vattenmolekylerna rör på sig, säger Robin Tyburski.
Internationellt samarbete
Studien har gjorts i samarbete med POSTECH University i Sydkorea, SwissFEL i Schweiz och SACLA i Japan. I studien medverkade också Anita Girelli och Iason Andronis från Stockholms universitet samt tidigare medarbetare vid universitetet Markus Soldemo, Maddalena Bin och Kyung Hwan Kim.
Läs mer om forskargruppen ”Experimentella röntgenstudier av vätskor och ytor” vid Fysikum
Senast uppdaterad: 27 november 2025
Sidansvarig: Kommunikationsavdelningen